半导体器件及其制作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体器件以及一种半导体器件的制作方法。

背景技术

现有的algan(氮化铝镓)/gan(氮化铝镓)hemt(highelectronmobilitytransistor，高电子迁移率晶体管)等半导体器件往往开关特性不好，因此，需要提出一种能够增强开关特性的半导体器件及其制作方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种双栅极金属结构的半导体器件及其制作方法，可以增强器件的开关特性。

具体地，本发明实施例提供的一种半导体器件，包括：半导体基板；第一介质层，设置于所述半导体基板上；第二介质层，设置于所述第一介质层上、且延伸至第一栅极接触孔内以覆盖所述第一栅极接触孔的底部，所述第一栅极接触孔贯穿所述第一介质层且伸入所述半导体基板内部；第一栅极金属层，设置于所述第二介质层上、且延伸至所述第一栅极接触孔内以覆盖位于所述第一栅极接触孔底部的所述第二介质层；第三介质层，设置于所述第一栅极金属层上、且延伸至第二栅极接触孔内以覆盖所述第二栅极接触孔的底部，所述第二栅极接触孔依次贯穿所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层且伸入所述半导体基板内部；第二栅极金属层，设置于所述第三介质层上、且延伸至所述第二栅极接触孔内以覆盖位于所述第二栅极接触孔底部的所述第三介质层；第一源/漏极，设置于所述第二栅极金属层上、且填充第一源/漏极接触孔，所述第一源/漏极接触孔依次贯穿所述第二栅极金属层、所述第三介质层、所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层；第二源/漏极，设置于所述第一栅极金属层上、且填充第二源/漏极接触孔，所述第二源/漏极接触孔依次贯穿所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层；以及栅极，设置于所述第一栅极金属层和所述第二栅极金属层上、且填充所述第一栅极接触孔和所述第二栅极接触孔。

在本发明其中一个实施例中，所述第一栅极金属层由第一金属组成，所述第二栅极金属层由第二金属组成，所述第一金属的功函数低于所述第二金属的功函数；所述第一栅极接触孔和所述第二栅极接触孔相连通。

在本发明其中一个实施例中，所述第一金属为铝金属或镍金属，所述第二金属为钴金属或钼金属。

在本发明其中一个实施例中，所述半导体基板包括：硅衬底，以及设置于所述硅衬底表面的氮化镓缓冲层和设置于所述氮化镓缓冲层表面的氮化镓铝层。

在本发明其中一个实施例中，所述第一栅极接触孔和所述第二栅极接触孔分别伸入所述氮化镓铝层。

在本发明其中一个实施例中，所述第一栅极接触孔的宽度与所述第二栅极接触孔的宽度的比例为1:1。

在本发明其中一个实施例中，所述氮化镓缓冲层和所述氮化镓铝层之间形成有二维电子气沟道。

在本发明其中一个实施例中，所述第一源/漏极、所述第二源/漏极和/或所述栅极由欧姆接触金属组成，所述欧姆接触金属从下至上依次包括：第一钛金属层、铝金属层、第二钛金属层和氮化钛层。

另一方面，本发明实施例提供的一种半导体器件，包括：半导体基板，所述半导体基板中形成有二维电子气沟道；第一介质层，设置于所述半导体基板上；第二介质层，设置于所述第一介质层上、且延伸至第一栅极接触孔内以覆盖所述第一栅极接触孔的底部，所述第一栅极接触孔贯穿所述第一介质层且伸入所述半导体基板内部；第一栅极金属层，设置于所述第二介质层上、且延伸至所述第一栅极接触孔内以覆盖位于所述第一栅极接触孔底部的所述第二介质层；第三介质层，设置于所述第一栅极金属层上、且延伸至第二栅极接触孔内以覆盖所述第二栅极接触孔的底部、并与所述第二介质层连接，所述第二栅极接触孔贯穿所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层且伸入所述半导体基板内部；第二栅极金属层，设置于所述第三介质层上、且延伸至所述第二栅极接触孔内以覆盖位于所述第二栅极接触孔底部的所述第三介质层、并与所述第一栅极金属层连接；第一源/漏极，设置于所述第二栅极金属层上、且填充第一源/漏极接触孔，所述第一源/漏极接触孔贯穿所述第二栅极金属层、所述第三介质层、所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层；第二源/漏极，设置于所述第一栅极金属层上、且填充第二源/漏极接触孔，所述第二源/漏极接触孔贯穿所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层；以及栅极，设置于所述第一栅极金属层和所述第二栅极金属层上、且填充所述第一栅极接触孔和所述第二栅极接触孔，所述第一栅极接触孔和所述第二栅极接触孔相连通；其中，所述第一栅极金属层由第一金属组成，所述第二栅极金属层由第二金属组成，所述第一金属的功函数与所述第二金属的功函数不同。

又一方面，本发明实施例提供的一种半导体器件的制作方法，包括步骤：在半导体基板上形成第一介质层，其中所述半导体基板中形成有二维电子气沟道；蚀刻所述第一介质层和所述半导体基板以形成第一栅极接触孔，其中所述第一栅极接触孔贯穿所述第一介质层且伸入所述半导体基板内部；在所述第一介质层上形成第二介质层、并使所述第二介质层延伸至所述第一栅极接触孔内以覆盖所述第一栅极接触孔的底部；在所述第二介质层上形成第一栅极金属层、并使所述第一栅极金属层延伸至所述第一栅极接触孔内以覆盖位于所述第一栅极接触孔底部的所述第二介质层；蚀刻所述第一栅极金属层、所述第二介质层、所述第一介质层和所述半导体基板以形成第二栅极接触孔，其中所述第二栅极接触孔和所述第一栅极接触孔相连通，所述第二栅极接触孔贯穿所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层且伸入所述半导体基板内部；在所述第一栅极金属层上形成第三介质层、并使所述第三介质层延伸至所述第二栅极接触孔内以覆盖所述第二栅极接触孔的底部且与所述第二介质层连接；在所述第三介质层上形成第二栅极金属层、并使所述第二栅极金属层延伸至所述第二栅极接触孔内以覆盖位于所述第二栅极接触孔底部的所述第三介质层且与所述第一栅极金属层连接；蚀刻所述第二栅极金属层、所述第三介质层、所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层以形成第一源/漏极接触孔；蚀刻所述第一栅极金属层、所述第二介质层和所述第一介质层以形成第二源/漏极接触孔；在所述第一栅极金属层和所述第二栅极金属层上形成欧姆接触金属层、并使所述欧姆接触金属层填充至所述第一栅极接触孔、所述第二栅极接触孔、所述第一源/漏极接触孔和所述第二源/漏极接触孔；蚀刻所述欧姆接触金属层、所述第一栅极金属层和所述第二栅极金属层以形成对应所述第一栅极接触孔和所述第二栅极接触孔的栅极、对应所述第一源/漏极接触孔的第一源/漏极和对应所述第二源/漏极接触孔的第二源/漏极，从而制得所述半导体器件。

在本发明实施例中，通过对半导体器件的结构进行优化，得到一种双栅极金属结构的半导体器件，可以获得更好的器件开关特性。

附图说明

图1为本发明一个实施例中半导体器件的有源区域的局部剖面结构示意图。

图2a为本发明一个实施例中半导体器件的制作方法的步骤1所得到的器件有源区域的局部剖面结构示意图。

图2b为本发明一个实施例中半导体器件的制作方法的步骤2所得到的器件有源区域的局部剖面结构示意图。

图2c为本发明一个实施例中半导体器件的制作方法的步骤3所得到的器件有源区域的局部剖面结构示意图。

图2d为本发明一个实施例中半导体器件的制作方法的步骤4所得到的器件有源区域的局部剖面结构示意图。

图2e为本发明一个实施例中半导体器件的制作方法的步骤5所得到的器件有源区域的局部剖面结构示意图。

图2f为本发明一个实施例中半导体器件的制作方法的步骤6所得到的器件有源区域的局部剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供的一种半导体器件100，包括：半导体基板110、介质层120a、介质层120b、介质层120c、栅极金属层130a、栅极金属层130b、源极140、漏极150和栅极160。

其中，介质层120a设置于半导体基板110上。

介质层120b设置于介质层120a上，且延伸至栅极接触孔gh1内以覆盖栅极接触孔gh1的底部，栅极接触孔gh1贯穿介质层120a且伸入半导体基板110内部。

栅极金属层130a设置于介质层120b上，且延伸至栅极接触孔gh1内以覆盖位于栅极接触孔gh1底部的介质层120b。

介质层120c设置于栅极金属层130a上，且延伸至栅极接触孔gh2内以覆盖栅极接触孔gh2的底部、并与位于栅极接触孔gh1底部的介质层120b连接，栅极接触孔gh2依次贯穿栅极金属层130a、介质层120b和介质层120a且伸入半导体基板110内部。

栅极金属层130b设置于介质层120c上，且延伸至栅极接触孔gh2内以覆盖位于栅极接触孔gh2底部的介质层120c、并与位于栅极接触孔gh1底部的栅极金属层120a连接。

源极140设置于栅极金属层130b上，且填充源极接触孔sh，源极接触孔sh依次贯穿栅极金属层130b、介质层120c、栅极金属层130a、介质层120b和介质层120a。

漏极150设置于栅极金属层130a上，且填充漏极接触孔dh，漏极接触孔dh依次贯穿栅极金属层130a、介质层120b和介质层120a。

栅极160设置于栅极金属层130a和栅极金属层130b上，且填充栅极接触孔gh1和栅极接触孔gh2，栅极接触孔gh1和栅极接触孔gh2相连通。优选地，栅极接触孔gh1的宽度与栅极接触孔gh2的宽度的比例为1:1，当然，还可以是其他合适的比例值，例如1：2、1：3、2：1等等。当然，本发明实施例并不以此为限制，在其他一些实施例中，栅极接触孔gh1和栅极接触孔gh2还可以是相互间隔设置的。

栅极接触孔gh1和栅极接触孔gh2例如分别伸入氮化镓铝层115。

具体地，栅极金属层130a例如由第一金属m1组成，栅极金属层130b例如由第二金属m2组成，第一金属m1的功函数与第二金属m2的功函数不相同。优选地，第一金属m1的功函数低于第二金属m2的功函数。

第一金属m1例如为铝金属或镍金属，第二金属m2例如为钴金属或钼金属。当然，本发明实施例并不局限于此，只要能够满足第一金属m1的功函数低于第二金属m2的功函数的条件即可。

具体地，半导体基板110例如包括：硅衬底111，以及设置于硅衬底111表面的氮化镓缓冲层113和设置于氮化镓缓冲层113表面的氮化镓铝层115。

硅衬底111例如为p(111)型硅衬底。

氮化镓缓冲层113和氮化镓铝层115之间例如形成有二维电子气沟道(2deg)117。

氮化镓缓冲层113的厚度例如大于3微米。

具体地，源极140、漏极150和/或栅极160例如由欧姆接触金属组成，所述欧姆接触金属从下至上例如依次包括：第一钛金属层、铝金属层、第二钛金属层和氮化钛层。其中，所述第一钛金属层和所述第二钛金属层的成分为钛(ti)，所述铝金属层的成分为铝(al)，所述氮化钛层的成分为氮化钛(tin)。

介质层120a、120b、120c的材质例如为氮化硅。在此值得一提的是，介质层120a、120b、120c的材质例如还可以是其他已知适用于作为半导体器件100的介质层的材料，例如氧化硅、氧化硅或氧化铪等high-k(高介电)材料。

另外，本发明实施例还提供上述半导体器件100的制作方法。如图2a至2f所示，为半导体器件100的制作方法的各个步骤中所得到的器件有源区域的局部结构剖面示意图。具体地，半导体器件100的制作方法主要包括：

步骤1：如图2a所示，对半导体基板110进行清洗后，lpcvd(lowpressurechemicalvapordeposition，低压化学气相沉积)沉积一层介质层120a，用来钝化半导体基板110表面，消除其表面态，以提高最终形成的半导体器件100的可靠性。

步骤2：如图2b所示，制备栅极接触孔gh1。光刻定义栅极接触孔gh1对应的栅极接触孔区域ghz1，然后采用氟化硫(sf6)和氯气(cl2)为气体源的icp(inductivelycoupledplasma，等离子体电感耦合)刻蚀方法刻蚀栅极接触孔gh1，刻蚀掉在步骤1中形成的位于栅极接触孔区域ghz1的全部的介质层120a和部分厚度的氮化镓铝层115。其中，光刻的程序包括了涂胶、曝光和显影。栅极接触孔gh1贯穿介质层120a并延伸入半导体基板110内部。

步骤3：如图2c所示，再依次沉积一层介质层120b和一层栅极金属层130a。

步骤4：如图2d所示，制备栅极接触孔gh2。光刻定义栅极接触孔gh2对应的栅极接触孔区域ghz2，然后采用氟化硫和氯气为气体源的icp刻蚀方法刻蚀栅极接触孔gh2，刻蚀掉位于栅极接触孔区域ghz2的全部的栅极金属层130a、介质层120a、120b和部分厚度的氮化镓铝层115。

步骤5：如图2e所示，依次沉积一层介质层120c和栅极金属层130b。

步骤6：如图2f所示，源极接触孔sh和漏极接触孔dh制备。光刻定义源极接触孔区域shz和漏极接触孔区域dhz后，采用氟化硫为气体源的icp刻蚀方法刻蚀掉位于源极接触孔区域shz的栅极金属层130b、介质层120c、栅极金属层130a、介质层120b和介质层120a，以及位于漏极接触孔区域dhz的栅极金属层130a、介质层120b和介质层120a，以形成源极接触孔sh和漏极接触孔dh，保证刻蚀停止在氮化镓铝层115，避免给氮化镓铝层115造成较大损伤，以使二维电子气沟道117沟道中存在足够浓度的电子，维持器件的大电流特性。

步骤7：如图1所示，pvd(physicalvapordeposition，物理气相沉积)沉积欧姆接触金属，具体地，在步骤6中得到的结构的上表面(图1中的上表面)上也即栅极金属层130a和栅极金属层130b的表面上沉积欧姆接触金属形成欧姆接触金属层、并使所述欧姆接触金属层填充至栅极接触孔gh1、栅极接触孔gh2、源极接触孔sh和漏极接触孔dh；然后通过光刻定义源极金属电极区域sz、漏极金属电极区域dz和栅极金属电极区域gz；之后刻蚀掉步骤7以及步骤5中分别沉积的位于源极金属电极区域sz、漏极金属电极区域dz和栅极金属电极区域gz两两区域之间的全部的欧姆接触金属和栅极金属层130a、130b，最终得到如图1所示的源极140、漏极150和栅极160。其中，所述欧姆接触金属从下至上例如依次包括：第一钛金属层、铝金属层、第二钛金属层和氮化钛层。其中，所述第一钛金属层和所述第二钛金属层的成分为钛(ti)，所述铝金属层的成分为铝(al)，所述氮化钛层的成分为氮化钛(tin)，在沉积所述欧姆接触金属时，依次沉积第一钛金属层、铝金属层、第二钛金属层和氮化钛层，且所述第一钛金属层、所述铝金属层、所述第二钛金属层和所述氮化钛层的沉积厚度例如分别为200埃、1200埃、200埃和200埃。

所述欧姆接触金属沉积采用磁控溅射的方式，为使欧姆接触良好，需要使各个接触孔也即栅极接触孔gh1、栅极接触孔gh2、源极接触孔sh和漏极接触孔dh清洁少杂质，因此，步骤7例如还可以包括除杂步骤，具体地，例如在欧姆接触金属沉积前用氢氟酸(hf)清洗各个接触孔，所述欧姆接触金属沉积后要在氮气(n2)环境下进行850℃、45s的快速退火(rts)。

进一步地，在步骤1之前，例如还包括步骤：形成半导体基板110。具体地，在硅衬底111上依次沉积氮化镓缓冲层113和氮化镓铝层115，氮化镓缓冲层113和氮化镓铝层115之间形成二维电子气沟道117，最终形成半导体基板110。氮化镓是第三代宽禁带半导体材料，具有大禁带宽度、高电子饱和速率、高击穿电场、较高热导率、耐腐蚀和抗辐射性能等特性、并且在高压、高频、高温、大功率和抗辐照环境条件下具有较强的优势，从而是研究短波光电子器件和高压高频率大功率器件的最佳材料；其中，大禁带宽度为3.4电子伏特，高电子饱和速率为2e7厘米每秒，高击穿电场为1e10～-3e10伏特每厘米。

经过上述过程，一个完整双栅极金属结构的半导体器件100制作完成。然不限于此，在其他实施例中，亦可变更或增加其他步骤，以完成半导体器件100。

另外，值得一提的是，上述源极和漏极是可以互换的，从而源极和漏极之一可以称之为第一源/漏极，源极和漏极之另一可以称之为第二源/漏极；相应地，上述源极接触孔和漏极接触孔之一可以称之为第一源/漏极接触孔，上述源极接触孔和漏极接触孔之另一可以称之为第二源/漏极接触孔。

综上所述，本发明实施例通过对半导体器件的结构进行优化，得到一种双栅极金属结构的半导体器件100，可以获得更好的器件开关特性；另外，本发明实施例所使用的工艺和条件可以是与cmos工艺兼容的，可操作性强，很好的协调了器件性能和工艺复杂度之间的矛盾。因此，本发明实施例所提出的双栅极金属结构的半导体器件100及其制备方法为增强型半导体器件高可靠性、量产方案的设计提供了很好的借鉴和参考，半导体器件100可应用于电力电子元件、滤波器、无线电通信元件等技术领域中，具有良好的应用前景。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和/或方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元/模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多路单元或模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元/模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元/模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多路网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元/模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。